CN117634098B - 燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，包括：步骤一、根据燃烧室气冷机匣壁温确定设定的水冷机匣壁温；步骤二、设计机匣管束式水冷结构，确定机匣管束式水冷结构的常规参数；步骤三、比较燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量，并根据判断结果选择进入步骤四或者返回步骤二；步骤四、针对机匣管束式水冷结构进行三维仿真并获得计算的水冷机匣壁温，当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围内时，则按照机匣管束式水冷结构输出；当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围外时，则返回步骤二。本发明能够节约时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法。
背景技术
燃烧室作为航空发动机的主要热端部件之一，其各个零组件壁温较高，机匣可将高温气隔绝在发动机内部，保证发动机和飞行器安全。特别是在高速飞行器动力（Ma>3）中，由于来流气流温度更高，冷却气温度较高，导致燃烧室机匣的壁温较高。需采用特定的冷却方式对其进行冷却，保证燃烧室可以长期稳定工作。
在机匣的性能验证考核中，隔热屏和机匣上壁之间通过采用冷却气冷却方式进行冷却，机匣侧壁内侧无隔热屏，机匣与高温燃气（燃气可达2000K）直接接触，需要采用特定的冷却方式对机匣侧壁进行冷却。常规的冷却方式为水冷方式，冷却水在机匣侧壁内部槽道内流动，与机匣直接接触，冷却水温度较低（＜100℃），导致机匣壁温过低，较低的机匣壁温会对与之接触的燃气和冷却气进行降温，一方面影响机匣的性能考核，另一方面影响出口的燃烧温度。同时由于水冷的机匣壁温和与冷却气冷却的机匣壁温之间差异较大，容易导致机匣变形，焊缝开裂，影响燃烧室安全。
管束式水冷结构作为一种新型的燃烧室机匣冷却方案，其冷却水在水管内流动，水管与机匣通过垫片紧密贴合，冷却水可以带走机匣传递的热量。由于冷却水不直接接触机匣，其与机匣之间存在水管管壁和垫片，有效避免机匣温度过低，对与之接触的冷却气和燃气影响较小，可考核机匣和隔热屏性能，获得真实的燃烧室出口温度，验证燃烧室长时间工作能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，以达到快速确定水冷机匣设计方案的目的。
本发明的技术方案为：一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，包括：步骤一、根据燃烧室气冷机匣壁温确定设定的水冷机匣壁温；步骤二、设计机匣管束式水冷结构，并确定机匣管束式水冷结构的常规参数；步骤三、比较燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量，当燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量相等时，则进入步骤四；当燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量不等时，则返回步骤二；步骤四、针对机匣管束式水冷结构进行三维仿真并获得计算的水冷机匣壁温，当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围内时，则按照机匣管束式水冷结构输出；当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围外时，则返回步骤二。
进一步地，燃烧室气冷机匣壁温为Twg，设定的水冷机匣壁温为Tww，则Twg-a≤Tww≤Twg，其中，a为常数， 0≤a≤100。
进一步地，根据以下公式确定机匣管束式水冷结构的常规参数：
D/2+H1=d/2；L-H1-D/2≥2；d+6≤h≤d+8；其中，L为机匣的厚度，H1为垫片厚度，d为机匣上水冷管槽直径；D为水冷管直径。
进一步地，对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量为Qh、冷却水的对流换热的热量为Qc、冷却水的温度升高吸热带走的热量为Qw，则：
；
；
；
其中，hg为燃气侧对流换热系数，hc为冷却水侧对流换热系数，Ag为燃气侧换热接触面积，Ac为水冷管接触面积，Tg为燃气温度，Tc为冷却水平均温度，Tw为燃气侧壁温，εe为隔热屏黑度，εg为燃气黑度，σ为辐射系数，m为冷却水总流量， Tin为冷却水的进口温度，Tout为冷却水的出口温度，为垫片的接触热阻，λ为机匣导热系数，Cp为定压比热容，L为机匣厚度。
进一步地，隔热屏黑度εe的取值范围是0.65~0.75，燃气黑度εg的取值范围是0.2~0.3。
进一步地，垫片为铜或者铝材料制成，垫片的接触热阻的取值范围是0.00025~0.0003。
进一步地，水冷管接触面积为水冷管内侧面积与水冷管外侧面积之和的一半。
进一步地，设定范围为0至100K。
与现有技术相比，本发明采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
有利于在较高冷却气温度条件下，降低燃烧室不同机匣之间的温度差，提高燃烧室稳定工作能力，真实考核燃烧室机匣的壁温，验证燃烧室燃烧性能。
通过水冷方案的初步结果设计、评估分析、三维仿真分析等递进式关联迭代设计，可快速锁定水冷机匣方案，节省时间和经济成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的流程示意图；
图2是管束式水冷结构总体方案示意图；
图3是管束式水冷结构局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例提供了一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，该方法是以机匣壁温为目标，采用递进式关联设计，并根据燃烧室气流参数，确定试验件机匣壁温目标，在此基础上开展管束式水冷设计。首先确定水管排布和水的流量，获得基本的水冷方案，然后通过一维方法快速获得冷却方案的匹配性，满足要求后，通过三维仿真，获得机匣壁温分布。
如图1所示，本发明实施例包括以下步骤：
步骤一：根据燃烧室气冷机匣壁温确定设定的水冷机匣壁温；
以水冷机匣壁面温度作为目标，开展水冷方案的迭代设计。在常规燃烧室矩形试验件四面机匣中，一面采用气冷结构，三面采用水冷结构，水冷机匣壁温需与气冷机匣壁温接近，才能在结构和性能上满足试验件验证需求。可根据燃烧室气流压力、温度、流量、燃油流量等参数，首先确定燃烧室气冷机匣壁温，燃烧室试验件水冷机匣壁温Tww与气冷机匣壁温Twg按如下确定：
Twg-100≤Tww≤Twg.....................（1）
步骤二：设计机匣管束式水冷结构，并确定机匣管束式水冷结构的常规参数。
机匣管束式水冷结构见图2-图3所示。水冷结构主要包括机匣水冷管槽、水冷管垫片、水冷管等。设计时，可先确定机匣水冷管槽直径d和间距h、水冷管直径D（外径）、垫片厚度H1等主要参数，具体方法如下：
根据强度要求确定机匣厚度L，一般可取8~10，垫片厚度H1可取0.5~1.5；机匣上水冷管槽直径d，水冷管直径D，按下式确定水冷管直径：
D/2+H1=d/2.....................（2）
L-H1-D/2≥2.....................（3）
d+6≤h≤d+8.....................（4）
步骤三：评估分析；
评估分析主要对燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递（Qh），冷却水通过对流换热（Qc），温度升高吸热带走热量（Qw），三部分热量进行计算，需保证：
Qh= Qc= Qw.....................（5）
..................6）
......................（7）
.....................（8）
其中：hg为燃气侧对流换热系数，hc为冷却水侧对流换热系数，Ag为燃气侧换热接触面积，Ac为水冷管接触面积，Tg为燃气温度，Tc为冷却水平均温度，Tw为燃气侧壁温，εe为隔热屏黑度，εg为燃气黑度，为辐射系数，m为冷却水总流量， Tin、Tout为冷却水的进出口温度。/>为垫片的接触热阻，/>为机匣导热系数，Cp为定压比热容，L为机匣厚度。
隔热屏和燃气黑度分别取值如下：εe=0.65~0.75，εg=0.2~0.3。
燃气侧换热接触面积Ag取一个计算单元内燃气机匣接触面积，水冷管接触面积Ac取水管内侧面积与外侧面积之和的1/2，冷却水出口温度Tout≤85℃，保证出口不局部汽化，影响冷却效果。
垫片可取柔软并且导热性能较好的铝或者铜等金属，接触热阻可取=0.00025~0.0003，接触热阻单位是：m2·K/W。
根据气流参数和相关结构参数、以及冷却水流速（＜5m/s）等参数，初步计算各部分传热热量，需满足公式（5）。若不满足要求，则返回步骤2，局部调整水冷管结构和水流速，直到满足，进行下一步。
步骤四：仿真分析
评估分析满足要求后，可进行三维仿真分析。三维仿真分析主要对机匣内侧壁温进行评估，可得到不同状态下机匣内侧壁温分布，若不满足要求，需返回步骤二，适当调整水冷管结构参数，重新进行迭代。仿真分析中，为节省计算时间，可选择局部单元体进行计算，但是至少选取2根水管，辐射相关系数按前述执行，计算完成后，对结果进行分析，三维仿真结果中机匣平均温度与步骤一中机匣平均温度相差在100K以内即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据燃烧室气冷机匣壁温确定设定的水冷机匣壁温；
步骤二、设计机匣管束式水冷结构，并确定机匣管束式水冷结构的常规参数；
步骤三、比较燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量，当燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量相等时，则进入步骤四；当燃气通过对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量、冷却水的对流换热的热量和冷却水的温度升高吸热带走的热量不等时，则返回所述步骤二；对流换热和辐射换热对机匣进行热量传递的热量为Qh、冷却水的对流换热的热量为Qc、冷却水的温度升高吸热带走的热量为Qw，则：
；
；
；
其中，hg为燃气侧对流换热系数，hc为冷却水侧对流换热系数，Ag为燃气侧换热接触面积，Ac为水冷管接触面积，Tg为燃气温度，Tc为冷却水平均温度，Tw为燃气侧壁温，εe为隔热屏黑度，εg为燃气黑度，σ为辐射系数，m为冷却水总流量，Tin为冷却水的进口温度，Tout为冷却水的出口温度，为垫片的接触热阻，λ为机匣导热系数，Cp为定压比热容，L为机匣厚度；
步骤四、针对所述机匣管束式水冷结构进行三维仿真并获得计算的水冷机匣壁温，当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围内时，则按照所述机匣管束式水冷结构输出；当计算的水冷机匣壁温与设定的水冷机匣壁温误差在设定范围外时，则返回所述步骤二。
2.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，所述燃烧室气冷机匣壁温为Twg，设定的水冷机匣壁温为Tww，则Twg-a≤Tww≤Twg，其中，a为常数，0≤a≤100。
3.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，根据以下公式确定机匣管束式水冷结构的常规参数：
D/2+H1=d/2；L-H1-D/2≥2；d+6≤h≤d+8；其中，L为机匣的厚度，H1为垫片厚度，d为机匣上水冷管槽直径；D为水冷管直径。
4.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，隔热屏黑度εe的取值范围是0.65~0.75，燃气黑度εg的取值范围是0.2~0.3。
5.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，垫片为铜或者铝材料制成，垫片的接触热阻的取值范围是0.00025~0.0003。
6.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，水冷管接触面积为水冷管内侧面积与水冷管外侧面积之和的一半。
7.根据权利要求1所述的燃烧室矩形试验件机匣水冷结构设计方法，其特征在于，所述设定范围为0至100K。
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